镁合金软接触电磁连铸研究与工业化试验

摘要

随着科学技术和工业生产的发展，对高性能金属及合金的需求更加迫切。镁合金在物理和机械等方面所具有的独特性能，使其在航空、航天、汽车、计算机、电子、通讯和家电等行业等领域都非常具有吸引力，日趋成为冶金和材料界的研究、开发的热点。但镁合金的密排六方的晶体结构决定了其塑性变形能力较差，在铸造、挤压等热加工过程中易开裂，形成缺陷或导致废品。如何提高镁合金的成型和塑性加工性能，是镁合金及其制备技术急需解决的关键问题之一。 电磁连续铸造是电磁流体力学与冶金工程相结合的先进材料加工技术，具有铸锭表面光滑、力学性能好及生产效率高等优点。本文针对软接触电磁连铸AZ31镁合金圆锭的成型工艺和材料性能与维恩克(临沂)材料技术有限公司进行了工业性实验研究。文中在对镁合金电磁连铸的工业实验、检测、缺陷分析的基础上，确定了Φ162mm的AZ31镁合金铸坯在软接触电磁连铸中较合适的工艺参数：浇注温度720℃，冷却水压0.35MPa，铸锭拉坯速度为9cm/min，电磁场频率2.5kHz，电源表观直流电流40A-50A，结晶器中镁液液面控制在感应线圈上沿处。试验中用二氧化碳和六氟化硫混合气体保护液面，防止氧化。 本文通过与普通连续铸造的铸锭进行对比，对电磁铸造镁合金圆锭的显微组织、力学性能和抗腐蚀性能进行了分析。结果表明：电磁连铸中，电磁力将液面向上推起，形成凸起的弯月面，从而减小镁液与结晶器内壁的接触面积，降低了铸坯表层的散热热流强度和温度梯度，使镁合金连续铸造的初期凝固过程得以改善，表现为铸坯表层柱状晶区域的厚度大幅度减小，等轴晶区面积扩大。同时，电磁力降低了镁液与结晶器内壁的接触压力，从而降低了拉坯时初凝壳与结晶器的摩擦力，可望改善铸锭表面质量。再者，电磁连铸所附带的电磁搅拌效应使镁合金的内部组织致密、均匀，机械性能(特别是延伸率所代表的塑性性能)大大提高。在本文试验中，当电源表观直流电流在40-50A时，所得的电磁连铸镁合金铸坯组织最为细小、均匀，横断面上的树枝晶破碎，达到近全等轴晶组织。同时，其机械性能试验的结果则显示，电磁连铸坯的力学性能(尤其是塑性变形能力)显著提高，常温下的抗拉强度、屈服强度和伸长率较普通连铸时分别提高17％，50％和81％。再者，由扫描电镜得到的试样断口形貌分析显示，其断裂形式由普通连铸坯的平面型转变为韧窝型，出现了韧性断裂的特征。另外，对铸坯中溶质元素的化学分析结果也得出电磁连铸坯的成分偏析现象明显改善的结论。以Zn、Mn元素为例，其平均偏析度分别比普通连铸下降73％和67％。最后，在电磁连铸镁坯锭的抗腐蚀性能方面，盐雾腐蚀试验的结果表明，其腐蚀速率较普通连铸的ZA31镁坯锭下降29％。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1镁合金的发展历程

1.2镁的性质及镁合金的应用

1.2.1镁的性质

1.2.2镁合金的应用

1.3镁合金的成形方法

1.3.1铸造

1.3.2塑性成形

1.3.3超塑性成形

1.3.4金属半固态成形

1.4电磁连铸技术和应用

1.4.1材料电磁加工的由来

1.4.2电磁连铸技术的发展

1.4.3软接触连铸技术的进展和应用

1.4.4镁合金电磁连铸的研究进展

1.5本文的研究目的和主要工作内容

第二章电磁连铸的理论与分析

2.1电磁连铸过程中电磁场理论

2.2磁场频率的选择

2.3电流强度的确定

2.4本章小节

第三章镁合金电磁连铸工艺研究

3.1电磁连铸的基本装置

3.1.1结晶器

3.1.2电磁系统

3.1.3熔化与浇注系统

3.1.4气体保护系统

3.1.5冷却系统

3.1.6拉坯系统

3.2磁场的实验分析

3.2.1磁场的测量

3.2.2测量结果与分析

3.3镁合金电磁连铸的基本工艺研究

3.3.1浇注温度

3.3.2液面位置

3.3.3冷却强度

3.3.4铸造速度

3.4本章小结

第四章镁合金电磁连铸试验与组织性能分析

4.1试验用镁合金成分及特点

4.2电磁连铸试验过程与现象

4.2.1电磁连铸工艺过程

4.2.2试验中的现象

4.2.3试样处理

4.3试验结果分析

4.3.1铸坯缺陷分析

4.3.2组织分析

4.3.3力学性能

4.3.4断口分析

4.3.5宏观偏析分析

4.4本章小结

第五章电磁连铸镁合金腐蚀实验

5.1试验方法

5.1.1失重法测量腐蚀速率

5.1.2腐蚀试样表面形貌及金相组织的观察

5.2实验结果及分析

5.2.1微观组织分析

5.2.2腐蚀速率

5.2.3腐蚀形貌

5.2.4腐蚀机理探讨

5.3本章小节

第六章结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文